Umgebungsbedingungen wie hohe Umgebungstemperaturen, Exposition gegenüber mechanischen Stößen und spezifische Antriebszykluse erfordern besondere Aufmerksamkeit auf die mechanischen und elektrischen Eigenschaften von IGBT-Leistungsmodulen, um sicherzustellen, dass ihre Leistung während der gesamten Lebensdauer optimal ausgeführt wird und eine hohe Zuverlässigkeit aufrechterhalten wird. In diesem Artikel werden Probleme und Fehlermuster wie Leistungs- und Wärmezyklus, Materialauswahl und elektrische Eigenschaften von IGBTs untersucht.

Bis zu einem Dutzend Isolationsgate-Bipolartransistoren (IGBTs) werden in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen verwendet, und IGBT-Module sind so konzipiert, dass sie für eine spezielle Anwendung ein Preis-Leistungs-Verhältnis* und eine angemessene Zuverlässigkeit bieten. Abbildung 1 zeigt den Hauptbestandteil eines bestehenden IGBT-Leistungsmoduls.

Das Aufkommen von Elektrofahrzeugen (EV) und Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEV) hat einen neuen Markt für IGBT-Module geschaffen. IGBT-Leistungsmodule in EV und HEV

Der Teil mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen ist das Antriebssystem, in dem sich IGBTs im Wechselrichter befinden und den Motor des Hybridsystems mit Energie versorgen. Abhängig vom Antriebskonzept können die Wechselrichter in der Nähe des Verbrennungsmotors im Heck, im Getriebe oder unter der Motorhaube des Fahrzeugs platziert werden, so dass IGBT-Module unter schwierigen thermischen und mechanischen Bedingungen (Vibrationen und Schläge) getestet werden.

Um Automobildesignern ein hochzuverlässiges Standard-Industrie-IGBT-Modul zu bieten, müssen IGBT-Designer besonders vorsichtig bei der Auswahl von Materialien und der Konstruktion von elektrischen Eigenschaften sein, um ähnliche oder sogar bessere Ergebnisse zu erzielen.

　　Wärmezyklus- und Wärmestoßtests

Während des Thermocyclus (TC) wird das zu messende Gerät (DUT) abwechselnd der eingestellten Zui-Tief- und Zui-Hochtemperatur ausgesetzt, so dass der Temperaturunterschied (ΔTC) in seinem Rohrgehäuse von 80 K bis 100 K erreicht wird. Die Lagerzeit des DUT bei Zui-Tief- und Zui-Hochtemperatur muss ausreichen, um das thermische Gleichgewicht zu erreichen (d. h. 2 bis 6 Minuten). Der Schwerpunkt dieses Tests liegt auf der Ermittlung der Müdigkeitseigenschaften der Schweißstelle.

Durch strengere Tests können auch Schwächen in anderen Teilen (z. B. im Rahmen eines Moduls) untersucht werden. Der Thermal Shock Test (TST), auch als Zwei-Box-Test bekannt, wird unter erweiterten ΔTC-Bedingungen durchgeführt, beispielsweise von -40oC bis +150oC, mit einer typischen Lagerzeit von 1 Stunde.

Abbildung 1: Schema der IGBT-Modulstruktur einschließlich Substrate.

　Leistungszyklus

Während des Wärmezyklus-/Wärmestoßtests wird der DUT von außen erhitzt, während der DUT während des Leistungszyklus (PC) aktiv durch den Laststrom, der innerhalb des Moduls fließt, erhitzt wird. Somit sind sowohl die Temperaturgradiente im Inneren des Moduls als auch die Temperaturen der verschiedenen Materialschichten wesentlich höher als beim Wärmezyklus.

Die Kühlung des Moduls erfolgt durch die aktive Abschaltung des Laststroms und die Verwendung externer Abkühlungsmaßnahmen. Zui verwendet typischerweise Wasserkühler, aber Luftkühlsysteme werden auch häufiger verwendet. Das Testgerät kann den Wasserstrom während der Erwärmungsphase stoppen und den Wasserstrom nach der Kühlungsphase wieder einschalten. Durch den Leistungszyklus können die Verbindungen der Bindungsleitungen sowie die Müdigkeitseigenschaften der Schweißstellen untersucht werden.

　　Fehlermodus des IGBT-Moduls

Neben Schäden, die durch elektrische Spezifikationen verursacht werden, die über das IGBT-Modul hinausgehen (z. B. Überspannung und / oder Überstrom), können andere Fehlermechanismen auftreten. Im Folgenden werden einige typische Ausfallmuster untersucht, die bei Leistungszyklus-, Wärmezyklus-, mechanischen Vibrations- oder mechanischen Schlagversuchen auftreten.

Wärmezyklus und spezifische Wärmestoßversuche können Informationen über die Haltbarkeit der Schweißschicht des Systems (d. h. zwischen dem direkt gebundenen Kupfer, d. h. DCB), das sich auf dem Substrat befindet und dem sogenannten keramischen Substrat, offenbaren. Die Standard-Materialkombination von Kupfersubstrat und Al2O3-Keramik ergab nach 600 Hitzeschlagprüfzyklen eine Schichtschichtung der Schweißschicht des Systems. Dieses Testergebnis spiegelt die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) des gewählten Materials wider. Je größer der Unterschied zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten beider Materialien ist, desto größer ist die mechanische Belastung der Zwischenschicht (d. h. der Schweißschicht).

Abbildung 2 zeigt die thermischen Ausdehnungskoeffizienten verschiedener Materialien. Unser Ziel ist es, Materialien mit möglichst geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu kombinieren. Auf der anderen Seite ist dies nicht bei allen Materialien der Fall, auch wenn ihre thermischen Ausdehnungskoeffizienten sehr gut übereinstimmen, da die Kosten des Materials selbst zu hoch sein können oder während des Produktionsprozesses schwer verarbeitet oder verarbeitet werden können.

Abbildung 2: Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) für verschiedene Materialien (ppm/K).

Der Ausfallmodus, der durch den Leistungszyklus verursacht wird, befindet sich in der Regel an der Verbindungsstelle der Bindungsleitung. In der Regel für die Abtrennung von Bindungsleitungen und / oder die Aluminium-Metallisierung der Chip-Oberseite rekonstruiert.

In einigen Fällen kann auch ein Riss auf der Bindungslinie beobachtet werden. Mechanische und thermische Effekte führen ständig zur Bewegung der Bindungsleitung, wodurch Risse ausgelöst werden, und die Müdigkeit des Endmaterials führt zu einem Ausfall der Bindungsleitung selbst. Neben den inneren Komponenten des Leistungsmoduls kann auch das Gehäuse durch äußere Umgebung und/oder Arbeitsbedingungen beschädigt werden. Zum Beispiel ein Bruch des Gehäuserahmens.

Bei HEV kann das IGBT-Modul je nach Montageposition mechanischen Vibrationen von mehr als 5 g und mechanischen Schlägen von mehr als 30 g ausgesetzt sein. Wenn sie nicht robust genug sind, können die Leistungsanschlüsse zui schließlich durch diese Vibrationen / Schläge zerstört werden. Die fehlerhafte Position befindet sich an der Biegungsstelle des Anschlusses nach der Montage, wo Mikrorisse einen beschädigten Biegungsbereich erzeugen. Der Einsatz von vorgeformten Klemmen erhöht die Festigkeit, die keine bereits beschädigten Bereiche an den Biegekanten aufweist und somit eine höhere Zuverlässigkeit bietet. Daher wurden alle Infineon-Leistungsmodule für HEV mit diesem Ansatz entwickelt.

Hochzuverlässige IGBT-Leistungsmodule für HEV

Alle IGBT-Module, die für HEV entwickelt wurden, haben ein besonderes Ziel, eine hervorragende Zuverlässigkeit, geeignete elektrische Eigenschaften und Kosten zu bieten. Auf der Grundlage der langjährigen Erforschung der Entwicklung von IGBT-Leistungsmodulen, der großen Forschungsarbeit in die Kombination und Montagetechnik neuer Materialien sowie der Verwendung moderner Leistungshalbleiterchips hat Infineon zwei HEV-Modulreihen entwickelt: HybridPACK1 und HybridPACK2.

Beide Modelle basieren auf Infineons IGBT Channel Gate Field Termination-Technologie und bieten geringe Leitungs- und Schaltverluste. Der ausgewählte Chip der dritten Generation von 600V kann bei einer Verbindungstemperatur von 1501C Tj, op (zui großer Tj, max = 1751C) arbeiten.

Der HybridPACK1 mit 600V IGBT3- und EmCon3-Dioden mit bis zu 400A in sechs Verpackungen eignet sich für Wechselrichtersysteme mit Luftkühlung oder Flüssigkeitskählung mit Tieftemperatur. Diese Module verfügen über ein 3mm Kupfer-Substrat und ein verbessertes Al2O3 DCB-Keramik-Substrat mit Zuverlässigkeit und Kosten; Sie sind ideal für die Spitzenleistungsstufe von 20 kW (einzelne Module) und alle HEV-Anwendungen und ermöglichen auch eine höhere Nennleistung durch Parallelkombination.

Die HybridPACK1-Modulreihe setzt folgende spezielle Maßnahmen ein, um gleichzeitig hohe Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz zu erzielen:

Eine Kombination von Kupfersubstraten und verbesserter Al2O3-Keramik zur Verringerung des Schichtungseffekts, die auch einen Kostenvorteil gegenüber der Kombination von AlSiC / Si3N4 bietet;

Die Verwendung von Abständen verringert den Schichtungseffekt weiter;

Für jede Phase wird eine unabhängige DCB-Keramik verwendet, um optimale Wärmekopplungs- und Wärmediffusionseigenschaften zu erzielen;

Verbesserter Bindungsleitungsprozess verbessert die Leistungszyklungsfähigkeit;

Auswahl geeigneter Kunststoffe und optimierter Prozessparameter, um Brüche bei starken Temperaturschwankungen zu vermeiden;

Vorgeformte Leistungsanschlüsse verhindern Mikrorisse im Produktionsprozess.

HybridPACK2 wurde speziell für Anwendungen mit Hochtemperatur-Flüssigkeitswachselrichtern und HEV entwickelt. Als Leistungsmodul zur direkten flüssigkeitskälteten Abkühlung kann es bei Abkühlungstemperaturen von bis zu 1051C arbeiten. Die AlSiC-Substrate dieser Modulreihe sind mit flattenförmigen Kühlern integriert, die direkt in das flüssige Kühlmedium eingesetzt werden. Dieses Modul verfügt über eine Konfiguration mit Zui Big Six Paket 600V/800A IGBT3.

Die HybridPACK2-Modulreihe setzt folgende spezielle Maßnahmen ein, um gleichzeitig hohe Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz zu erzielen:

Optimierte Kombination von AlSiC-Substraten und Si3N4-Keramik zur Erbringung eines zui-niedrigen Schichtungseffekts;

Die Verwendung von Abständen verringert den Schichtungseffekt weiter;

Für jede Phase wird eine unabhängige DCB-Keramik verwendet, um optimale Wärmekopplungs- und Wärmediffusionseigenschaften zu erzielen;

Das direkt gekühlte Substrat bietet einen geringen thermischen Widerstand zwischen den Leistungshalbleitern und dem Kühlmedium. Mit dieser Methode kann Tj über 30K reduziert werden (abhängig von Lastbedingungen und Chipkonfiguration);

Verbesserter Bindungsleitungsprozess verbessert die Leistungszyklungsfähigkeit;

Auswahl geeigneter Kunststoffe und optimierter Prozessparameter, um Brüche bei starken Temperaturschwankungen zu vermeiden;

Vorgeformte Leistungsanschlüsse verhindern Mikrorisse im Produktionsprozess.

Hochleistungs-Elektrofahrzeuge wie E-Busse und E-Trucks benötigen robuste und zuverlässige IGBT-Module. Für diese Anwendungen sind die PrimePACK-Module die ideale Wahl. Sie sind in zwei verschiedenen Verpackungsformen erhältlich und verfügen über Zui-Halbbrückenkonfigurationen mit 1.200V/1.400A und 1.700V/1.000A mit Infineon IGBT4-Chiptechnologie (Tj, op = 1501C, Tj, max = 1751C).

Die PrimePACK-Modulreihe setzt die folgenden speziellen Maßnahmen ein, um eine hohe Zuverlässigkeit und gleichzeitig einen kostengünstigen Preis zu erzielen:

Kombination und Herstellungsprozess mit Kupfersubstrat und verbessertem Al2O3-Keramikbodert* zur Verringerung der Schichtungswirkung;

Die Verwendung von Abständen verringert den Schichtungseffekt weiter;

Das optimierte Chip-Layout bietet einen niedrigen Zui-Wärmewiderstand, der um 30% weniger Wärmewiderstand als bei Hochleistungsgeräten der vorherigen Generation (IHM) ermöglicht. (4) Verbesserter Bindungsleitungsprozess verbessert die Leistungszyklusfähigkeit;

Auswahl geeigneter Kunststoffe und optimierter Prozessparameter, um Brüche bei starken Temperaturschwankungen zu vermeiden;

Reduzierung der internen Dispersionsinduktion (bis zu 60% im Vergleich zu IHM);

Ultraschallschweißen zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit der Leistungsanschlüsse der DCB-Keramik.

　　Zusammenfassung

Da Fahrzeuge wie HEV hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit von Leistungshalbleitermodulen stellen, müssen heutige Zulieferer diese Marktanforderungen sicherstellen und erfüllen. Für diese Anwendungen hat Infineon Leistungshalbleitermodule mit optimierter Leistung und Kostenoptimierung vorgestellt: die HybridPACK- und PrimePACK-Serien. Darüber hinaus investiert Infineon weiter in die Entwicklung zukünftiger IGBT-Module, die eine höhere Zuverlässigkeit bei anspruchsvolleren Leistungsdichten und Umgebungstemperaturen bieten.